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6　“基本”粒子的分类
[课标引领]
学习目标要求 核心素养和关键能力
1.了解构成物质的“基本”粒子。 2.了解近代发现的粒子。 3.知道粒子的分类。 4.了解夸克模型的内容。 1.核心素养 了解构成物质的“基本”粒子及近代新发现的粒子,知道粒子的分类,了解夸克模型的内容。了解人类探究宇宙奥秘的过程和方法。 2.关键能力 通过对夸克模型的认识了解,能对已有观点提出疑问,可以从不同角度思考物理问题。
知识梳理
知识点一　新粒子的发现
1.“基本粒子”不“基本”
(1)以前人们普遍认为光子、电子、质子和中子是“基本粒子”。
(2)随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上“基本粒子”组成的,并发现质子、中子等本身也有复杂结构。
2.某些粒子,它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同,而电荷等其他性质相反,这些粒子叫作反粒子。
知识点二　粒子的分类
分类 参与的 相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相互作用 质子、中子、介子、超子 强子有内部结构,由“夸克”构成
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 现代实验还没有发现其内部结构
规范玻 色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子 光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
希格斯 玻色子 — 目前最后一个被发现 是希格斯场的量子激发
科学思维
1.思考判断
(1)科学研究表明,质子、中子等本身也具有复杂结构。(　√　)
(2)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。(　×　)
(3)按照夸克模型,电子所带电荷不再是电荷量的最小单元。(　√　)
(4)反粒子与粒子有相同的电荷量,但电性相反。(　√　)
(5)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍。(　×　)
(6)目前发现的轻子有8种。(　×　)
2.现已发现的粒子达400多种。它们大体可被分为(　C　)
A.光子、夸克、强子、质子
B.夸克、轻子、强子、电子
C.规范玻色子、希格斯玻色子、轻子、强子
D.质子、中子、电子、光子
解析:按照粒子与各种相互作用的关系,大体可以把粒子分为四大类,即强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子,选项C正确,A、B、D错误。
要点一　新粒子的发现及分类
[例1] 关于“基本”粒子,以下说法正确的是(　B　)
A.最早发现的轻子是电子,最早发现的强子是中子
B.质子、中子、介子和超子都属于强子
C.现代实验发现强子、轻子都有内部结构
D.τ子质量比核子质量大,τ子不属于轻子
解析:最早发现的强子是质子,最早发现的轻子是电子,A错误;强子有内部结构,由夸克组成,现代实验还没有发现轻子的内部结构,C错误;质子、中子、介子、超子都属于强子,τ子质量比核子质量大,但仍属于轻子,B正确,D错误。
[针对训练1] (多选)关于人们发现的新粒子,下列说法正确的是(　ABC　)
A.许多粒子都有自己的反粒子
B.把粒子分为强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子,根据是粒子与各种相互作用的
关系
C.质子属于强子
D.光子属于轻子
解析:根据粒子的分类、粒子与反粒子的描述知A、B、C正确;光子属于规范玻色子,D错误。
要点二　粒子的分类及夸克模型
1.粒子与反粒子
随着科学技术的发展,人们发现了更多的粒子,一方面“基本粒子”不“基本”,另一方面发现了反粒子。
2.夸克模型
(1)夸克的种类:上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。
(2)夸克所带电荷:夸克所带的电荷量是分数电荷量,即其电荷量为元电荷的-或+。例如上夸克带的电荷量为+,下夸克带的电荷量为-。
(3)意义:电子电荷不再是电荷的最小单位,即存在分数电荷。
特别提醒:按照粒子具有对称性,有一个粒子,必存在一个反粒子,所以每种夸克都有对应的反夸克。
[例2] (多选)已知π+介子、π-介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克 或反夸克)组成的,它们的带电荷量如下表所示,表中e为元电荷。下列说法正确的是(　AD　)
项目 带电荷量
π+ +e
π- -e
u +e
d -e
-e
+e
A.π+由u和组成 B.π+由d和组成
C.π-由u和组成 D.π-由d和 组成
解析:由题意可知,π+带电荷量为+e,故由u和组成;π-带电荷量为-e,故由d和 组成。故选AD。
质子和中子的组成
(1)质子带一个元电荷e的电荷量,两个u夸克和一个d夸克可以组成一个质子。
(2)中子不带电,一个u夸克和两个d夸克可以组成一个中子。
[针对训练2] (多选)1964年,理论物理学家提出夸克模型,指出重子(强子的一类)是由3个夸克组成的亚原子粒子,现代物理学认为,夸克共分6种3类:上夸克、下夸克;粲夸克、奇异夸克;顶夸克、底夸克(如表格所示)。质子由两个上夸克加一个下夸克组成,则中子的构成是两个下夸克加一个上夸克,因此人类目前所接触的物质都是由第一类夸克组成的。美国费米实验室在粒子对撞实验中发现一种新型粒子(欧米伽b重子)是由2个奇异夸克和1个底夸克组成的,这是物理学界首次发现由后两类夸克混合组成的重子。(1 G=109)
符号 中文名称 带电荷量(e) 质量(GeV/c2)
u 上夸克 + 0.004
d 下夸克 - 0.008
c 粲夸克 + 1.5
s 奇异夸克 - 0.15
t 顶夸克 + 176
b 底夸克 - 4.7
根据以上信息可以判定(　ACD　)
A.欧米伽b重子带的电荷量为-e
B.欧米伽b重子的质量是质子质量的250倍
C.欧米伽b重子的质量是中子质量的250倍
D.由质能方程E=mc2得知1 GeV/c2≈1.78×10-27 kg
解析:由表中信息可知,欧米伽b重子带的电荷量为-e×2+(-e)=-e,选项A正确;根据题意知,质子质量为(0.004×2+0.008)GeV/c2=0.016 GeV/c2,欧米伽b重子的质量为(0.15×2+
4.7)GeV/c2=5 GeV/c2,中子的质量为(0.008×2+0.004)GeV/c2=0.02 GeV/c2,可知,选项C正确,B错误;由质能方程E=mc2得 m=,则质量单位可表示为GeV/c2,即有 1 GeV/c2=
kg≈1.78×10-27 kg,选项D正确。
素养测练
考点一　新粒子的发现及分类
1.(多选)关于粒子,下列说法正确的是(　BC　)
A.质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B.质子、中子本身也是复合粒子,它们具有复杂的结构
C.质子是带电的强子
D.光子是希格斯玻色子
解析:质子和中子是由不同的夸克组成的,它们不是最基本的粒子,它们具有复杂的结构,故A错误,B正确;不同的夸克组成的强子,有的带电,有的不带电,质子是带正电的强子,故C正确;光子是规范玻色子,故D错误。
2.“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量,但电荷的符号相反,则反氢原子是(　B　)
A.由1个带正电荷的质子和1个带负荷的电子构成
B.由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成
C.由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成
D.由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成
解析:反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成。故选B。
3.(多选)K-介子衰变方程为K-π-+π0,其中K-介子和π-介子是带负电的基元电荷,π0介子不带电。如图所示,一个K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中,其轨迹为圆弧(图中虚线),π-介子和π0介子运动轨迹可能是图中的(　AB　)
解析:根据动量守恒定律可以判断反应后π-介子可能与K-介子的运动方向相同,也可能相反,结合左手定则和带电粒子在磁场中的运动知识可知,选项A、B正确。
4.(多选)下列说法正确的是(　ABD　)
A.质量相同而电荷等值、电性相反的粒子是反粒子
B.光子传递电磁相互作用,属于规范玻色子
C.轻子是质量很轻的粒子
D.强子是参与强相互作用的粒子
解析:反粒子与其对应的粒子具有相同的质量和电荷量,但它们电性相反,故A正确;光子传递电磁相互作用,属于规范玻色子,故B正确;轻子是不参与强相互作用的粒子,强子是参与强相互作用的粒子,故C错误,D正确。
5.下列说法正确的是(　A　)
A.许多粒子都有自己的反粒子,反粒子与其对应的粒子带等量异种电荷
B.规范玻色子是几种基本粒子中最后一个被发现的
C.希格斯玻色子是传递各种相互作用的粒子
D.光子属于轻子
解析:许多粒子都有自己的反粒子,反粒子与其对应的粒子带等量异种电荷,A正确;规范玻色子是传递各种相互作用的粒子,如光子传递电磁相互作用,希格斯玻色子是希格斯场的量子激发,是几种基本粒子中最后一个被发现的,光子不属于轻子,B、C、D错误。
考点二　夸克模型
6.关于粒子,下列说法正确的是(　D　)
A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子
B.强子都是带电粒子
C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单元
解析:由于中子、质子是由不同的夸克组成的,它们不再是“基本”粒子,夸克模型是探究强子结构的理论,不同夸克构成强子,有的强子带电,有的不带电,不同夸克带电不同,可能为+e或-e,说明电子电荷不再是电荷的最小单位,选项D正确,A、B、C错误。
7.(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是(　ABC　)
A.强子是由更基本的夸克组成的
B.夸克的电荷量分别为元电荷的+或-
C.每种夸克都有对应的反夸克
D.夸克能以自由的状态单个出现
解析:强子是由更基本的夸克组成的,A正确;夸克的电荷量分别为元电荷的+或-,B正确;每种夸克都有对应的反夸克,C正确;夸克不能以自由的状态单个出现,D错误。
原子核　检测试题
一、单项选择题(本题共10小题,每小题4分,共40分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的)
1.自然界中的四种基本相互作用除了电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用三种外,还有一种为(　A　)
A.引力相互作用 B.聚变作用
C.裂变作用 D.量子作用
解析:自然界中四种基本相互作用为引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用,B、C、D错误,A正确。
2.核废水中含有大量的放射性元素成分,这些元素的降解时间长。下列说法正确的是(　D　)
A.核废水中包含的放射性物质衰变时会发出α、β、γ射线,γ射线电离能力最强
B.放射性元素经过两个完整的半衰期后,将完全衰变殆尽
C.核子间的弱相互作用和电磁相互作用使核子聚集到一起形成原子核
D.核子结合成原子核时,核子平均质量亏损越大,原子核越稳定
解析:在α、β、γ射线中,γ射线穿透能力最强,α射线电离能力最强,A错误;半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,经过两个完整的半衰期后,还剩四分之一的原子核没有衰变,B错误;核子间的强相互作用使核子聚集到一起形成原子核,C错误;核子结合成原子核时,核子平均质量亏损越大,则原子核的比结合能越大,原子核越稳定,D正确。
3.铯Cs的半衰期大约为30年,已知Cs发生 β衰变的同时生成新核,以下说法正确的是(　D　)
A.铯的半衰期会随温度升高而变大
B.Cs的比结合能大于其衰变生成新核的比结合能
C.衰变过程质量数、电荷数和质量都守恒
D.衰变生成新核的中子数为81
解析:半衰期只由原子核自身决定,与环境温度无关,所以铯的半衰期不会随温度升高而变大,故A错误;衰变过程产生能量,衰变生成的新核比Cs更稳定,所以Cs的比结合能小于其衰变生成新核的比结合能,故B错误;衰变过程质量数、电荷数都守恒,但衰变过程产生能量,存在质量亏损,故C错误;衰变过程满足质量数和电荷数守恒,可知Cs 发生β衰变生成新核的质量数为137,电荷数为56,则中子数为137-56=81,故D正确。
4.中国全超导托卡马克核聚变实验装置采取磁约束策略来产生核聚变反应。其内部发生的一种核聚变反应方程为HHHe+X,反应中释放出γ光子,下列说法不正确的是(　B　)
A.核聚变反应所产生的X粒子无法被洛伦兹力进行约束
B.核聚变反应所释放的γ光子来源于核外电子的能级跃迁
C.核聚变反应与核裂变反应相比,具有产能效率高、更安全、更清洁的特点
D.核聚变反应所需要的高温条件可以使原子核具有足够的动能克服库仑力作用而结合到一起
解析:根据核反应方程满足电荷数和质量数守恒,可知X粒子为中子n,由于中子不带电,中子无法被洛伦兹力进行约束,故A不符合题意;核聚变反应所释放的γ光子来源于核聚变后新核的能级跃迁,故B符合题意;核聚变反应与核裂变反应相比,具有产能效率高、更安全、更清洁的特点,故C不符合题意;核聚变反应所需要的高温条件可以使原子核具有足够的动能克服库仑力作用而结合到一起,故D不符合题意。
5.镭Ra在一系列衰变过程中会释放出α粒子、β粒子等多种粒子,衰变产物之一是铅Pb。下列说法正确的是(　C　)
A.镭衰变过程中释放的α粒子是空气中的氦原子失去两个电子后形成的
B.衰变过程中释放的β粒子的电离性强于α粒子
C.镭Ra的比结合能小于铅Pb的比结合能
D.镭的半衰期可能随着某些条件的变化而改变
解析:镭衰变过程中释放的α粒子是原子核内的两个质子和两个中子一起从原子核内逃逸出来形成的,故A错误;对于电离性而言,α粒子的电离性要强于β粒子,故B错误;在衰变过程中要释放核能,所以生成物铅Pb的比结合能大于镭Ra的比结合能,故C正确;半衰期由原子核本身决定,与物理环境、化学状态无关,故D错误。
6.物理学家创造了一个南瓜形状的镥-149(Lu)原子核,它能以一种罕见的放射性衰变方式释放质子,其衰变方程为LuHYb。下列说法正确的是(　B　)
A.降低温度可以延长镥-149的半衰期
B.镥-149原子核衰变前核内中子数为78
C.衰变产物Yb的中子数为77
D.镥-149的比结合能比Yb的大
解析:原子核的半衰期由原子核本身决定,与原子核所处的物理和化学状态无关,故A错误;根据电荷数守恒可知Z=1+70=71,镥-149原子核衰变前核内中子数为149-Z=78,故B正确;根据质量数守恒可知n+1=149,衰变产物Yb的中子数为n-70=78,故C错误;反应中释放能量,所以衰变后产物更稳定,比结合能更大,故镥-149的比结合能比Yb的小,故D错误。
7.钋核Po)发生衰变时的核反应方程为PoPb+X,下列说法正确的是(　D　)
A.X粒子为He
B.该核反应为β衰变
C.铅核(Pb)有124个中子,且核力只存在于原子核中相邻的中子之间
D.该核反应产物的结合能之和大于钋核Po)的结合能
解析:根据质量数和电荷数守恒可知,核反应方程为PbHe,X粒子为He,则该核反应为α衰变,故A、B错误Pb电荷数为82,质量数为206,则中子数为124,核力是短程力,只存在于相邻核子之间,但可以存在于质子与中子之间,故C错误;衰变时释放能量,生成物更稳定,则核反应产物的结合能之和大于钋核Po)的结合能,故D正确。
8.由于放射性元素Np的半衰期很短,所以在自然界一直未被发现,只是在使用人工的方法制造后才被发现。已知Np经过一系列α衰变和β衰变后变成Bi,下列说法正确的是(　C　)
A.Bi的原子核比Np的原子核多18个中子
BBi的原子核比Np的原子核少28个中子
C.衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变
D.衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变
解析Bi的原子核比Np的原子核少10个质子,质子数和中子数总共少28,故Bi的原子核比Np的原子核少18个中子,故A、B错误;设Np变为Bi需要经过x次α衰变和y次β衰变,根据质量数和电荷数守恒,则有93=2x-y+83,4x=237-209,解得x=7,y=4,故C正确,D错误。
9.核电池是各种深空探测器中最理想的能量源,它不受极冷极热的温度影响,也不被宇宙射线干扰。钚238同位素温差电池的原理是其发生衰变时将释放的热能转化为电能。已知钚238的半衰期为88年,其衰变方程为PuU+X。下列说法正确的是(　B　)
A.衰变放出的射线是高速氦核流,它的贯穿能力很强,电离能力很弱
B.Pu的比结合能小于U的比结合能
C.Pu的核子平均质量小于U的核子平均质量
DPu在极高压下可加速衰变,其半衰期可小于88年
解析:根据质量数守恒和电荷数守恒,可判断X是He,氦核流的贯穿能力很弱,电离能力很强,故A错误;U比Pu更稳定,则比结合能更大,故B正确;因为释放能量,存在质量亏损,所以U的核子平均质量小于Pu的核子平均质量,故C错误;原子核半衰期与外界环境无关,故D错误。
10.如图所示,在匀强磁场中静止着一个原子核U,某一时刻发生了一次α衰变,放出的α粒子与生成的新核在与磁场方向垂直的平面内做匀速圆周运动,得到α粒子与新核的轨迹是外切圆。已知磁感应强度大小为B,方向垂直于纸面向里,α粒子的质量数为4,电荷量为2e,则下列说法正确的是(　B　)
A.新核与α粒子的轨迹半径之比为45∶1
B.衰变后产生的新核与α粒子的动能之比为 2∶117
C.衰变后产生的新核与α粒子所受的洛伦兹力大小之比为117∶90
D.放出的α粒子对应的轨迹是大圆,粒子和新核绕行的方向均为顺时针
解析:根据动量守恒定律可知,两粒子动量等大反向,根据R==可知,带电荷量较小的α粒子对应的轨迹圆半径较大,根据左手定则可知α粒子和新核绕行的方向均为逆时针,D错误;因α粒子带电荷量为2e,可知新核带电荷量为90e,根据R==可知,新核与α粒子的轨迹半径之比为1∶45,A错误;对α粒子有Ek==,因新核的质量数为234,则质量m′=m,对新核分析有Ek′===Ek=Ek,故衰变后产生的新核做圆周运动的动能与α粒子动能之比为2∶117,B正确;设α粒子所受的洛伦兹力为F1=qvB=,因新核的电荷数为90,则电荷量q′=45q,新核所受的洛伦兹力为F2=q′v′B==F1,C错误。
二、多项选择题(本题共2小题,每小题4分,共8分。在每小题给出的四个选项中,有多项符合题目要求。全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)
11.放射性同位素钍Th经一系列α、β衰变后生成氡Rn,以下说法正确的是(　CD　)
A.每经过一次α衰变原子核的质量数会减少2
BRn的半衰期约为1分钟,所以2分钟后1 000个Rn原子核就只剩250个
C.放射性元素钍Th的原子核比氡Rn原子核的中子数多8个
D.钍Th衰变成氡Rn一共经过3次α衰变和2次β衰变
解析:每经过一次α衰变原子核的质量数会减少4,故A错误;半衰期是大量原子核的一个统计规律,对少数原子核不成立,故B错误;放射性元素钍Th的中子数232-90=142,氡Rn的中子数220-86=134,所以放射性元素钍Th的原子核比氡Rn原子核的中子数多8个,故C正确;钍Th衰变成氡Rn,可知质量数少12,电荷数少4,因为经过一次α衰变,电荷数少2,质量数少4;经过一次β衰变,电荷数多1,质量数不变,可知经过3次α衰变,2次β衰变,故D正确。
12.如图所示,一静止的原子核Th(钍)在P点发生衰变,放出一个粒子并产生新核X,它们在匀强磁场中的运动轨迹如图中a、b所示。已知钍核质量为m1,新核X质量为m2,粒子质量为m3,真空中的光速为c。则(　AC　)
A.b是新核X的轨迹
B.衰变方程为ThXHe
C.衰变释放的核能为(m1-m2-m3)c2
D.该原子核Th衰变的时间等于钍234的半衰期
解析:根据洛伦兹力提供向心力,有qvB=,可得R==,静止的原子核Th(钍)发生衰变过程动量守恒,因此新核X与衰变产生的粒子动量大小相等、方向相反,而新核X电荷量大,因此新核X的轨迹半径小,故b是新核X的轨迹,故A正确;由A中分析可知,新核X与衰变产生的粒子速度方向相反,由题图可知,新核X与衰变产生的粒子在磁场中偏转方向相同,根据左手定则可知,新核X与衰变产生的粒子带异种电荷,该衰变为β衰变,故B错误;由质能方程可得衰变释放的核能为ΔE=(m1-m2-m3)c2,故C正确;半衰期是大量原子核有半数衰变所用的时间,是大量原子核衰变的统计规律,对个别原子核没有意义,故D错误。
三、非选择题(本题共6小题,共52分)
13.(6分)磷30具有放射性,其衰变方程为PSi+　　　　 　　。P的半衰期是2.5 min,4 g P 经过10 min后还剩　　　 　g。
解析:根据质量数守恒和电荷数守恒可知,其衰变方程为Sie,4 gP经过10 min后还剩余m余=m0()=4×() g=0.25 g。
答案e　0.25
14.(8分)放射性元素每秒有一个原子核发生衰变时,其放射性活度即为1贝克勒尔I是核电站中核反应的副产物,它可以衰变成Xe,半衰期为8天。研究人员在某次检测中发现空气样品的I放射性活度为安全标准值的4倍。则一个I核中有　　　　个中子I衰变成Xe时放出的粒子为　　　　粒子。至少经过　　　　天,该空气样品中I的放射性活度才会达到安全标准值。
解析:质子、中子统称为核子,质量数为质子数与中子数之和I的质量数为131,因此中子数为131-53=78I衰变成Xe时,质量数不变而电荷数增加1,根据质量数和电荷数守恒可知,此过程放出的粒子为β粒子;放射性元素剩余质量与总质量之间的关系为m剩=
m×(),经过 16天时I的剩余质量为原来的四分之一,放射性活度也变为原来的四分之一,即达到安全标准值。
答案:78　β　16
15.(8分)已知中子的质量m n=1.674 9×10-27 kg,质子的质量mp=1.672 6×10-27 kg,氚核H)的质量mT=5.011 4×10-27kg,真空中的光速 c=3×108 m/s,求氚核的比结合能。
解析:由一个质子和两个中子结合成氚核的质量亏损为
Δm=mp+2mn-mT=1.1×10-29 kg,
放出的能量ΔE=Δmc2=9.9×10-13 J,
则氚核的比结合能为=3.3×10-13 J。
答案:3.3×10-13 J
16.(9分)已知1 L海水中含有0.146 g的重水,从中可提取0.03 g的氘H)。假如1 L海水中的氘全部聚变为氦,则释放多少能量 氘核和氦核的质量分别为2.014 1 u和4.002 6 u,若1 L汽油完全燃烧释放的能量为3.23×107 J,那么1 L海水中的氘全部聚变所放出的能量相当于多少升汽油燃烧时释放的能量 (NA=6.02×1023 mol-1,1 u=1.66×10-27 kg,真空中的光速c=3×108 m/s)
解析:2个氘聚变成氦的核反应方程为HHe。
2个氘聚变为氦释放的核能为
ΔE=(2mH-mα)c2≈3.825×10-12 J,
0.03 g的氘中含有氘核的数目为NH=NA,
所以1 L海水中氘全部聚变为氦,
释放能量为E=ΔE=1.727×1010 J,
释放1.727×1010 J的能量需要燃烧汽油的体积为V= L≈534.7 L。
答案:1.727×1010 J　534.7 L
17.(9分)如图所示是铀核裂变的示意图。中子以速度v轰击静止的铀235产生激发态的铀236,再裂变成两个中等质量的核 KrBa,图示的核反应释放的核能为E。已知普朗克常量为h,光速为c。
(1)求激发态铀236的速度。
(2)写出核反应方程,并计算反应中的质量亏损。
(3)求核反应中产生频率为ν的光子的能量和动量为p的中子的德布罗意波长。
解析:(1)设中子的质量为m,则激发态铀236的质量约为236m,
由动量守恒定律可知mv=236mv1,
解得v1=。
(2)核反应方程为UnKrBa+n,
根据E=Δmc2可知,反应中的质量亏损Δm=。
(3)频率为ν的光子能量为E′=hν,
动量为p的中子的德布罗意波长λ=。
答案:(1)　(2UnKrBa+n　　(3)hν　
18.(12分)用中子轰击锂核Li)发生核反应,生成氚核H)和α粒子,并放出4.8 MeV的能量。已知1 u相当于931.5 MeV的能量。
(1)写出核反应方程。
(2)求出质量亏损。
(3)若中子和锂核是以等大反向的动量相碰,且核反应释放的能量全部转化为新核的动能,则氚核和α粒子的动能之比是多少
(4)在问题(3)的条件下,α粒子的动能是多大
解析:(1)核反应方程为 LinHHe。
(2)依据ΔE=Δmc2得,
Δm= u≈0.005 2 u。
(3)根据题意有m1v1=m2v2,
式中m1、v1、m2、v2分别为氚核和α粒子的质量和速度大小,由上式及动能Ek=,可得它们的动能之比为Ek1∶Ek2=∶=∶=m2∶m1=4∶3。
(4)α粒子的动能
Ek2=(Ek1+Ek2)=×4.8 MeV≈2.06 MeV。
答案:(1LinHHe
(2)0.005 2 u　(3)4∶3　(4)2.06 MeV
模块检测试题
一、单项选择题(本题共13小题,每小题3分,共39分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的)
1.关于分子动理论,下列说法正确的是(　B　)
A.气体的膨胀现象说明气体分子间存在斥力
B.产生布朗运动是大量分子做无规则运动对悬浮的固体微粒各个方向撞击作用的不均衡性造成的
C.当分子间的距离增大时,分子间的引力增大而斥力减小
D.冬季用梳子梳理长发时,头发容易粘连在梳子上的原因是分子间的引力
解析:气体的膨胀现象说明分子在做无规则运动,故A错误;布朗运动是固体小颗粒受到不同方向的液体分子无规则运动产生的撞击作用的不平衡性引起的,间接证明了液体分子永不停息地做无规则运动,故B正确;当分子间的距离增大时,分子间的引力和斥力都减小,故C错误;冬季用梳子梳理长发时,头发容易粘连在梳子上的原因是静电力作用,故D错误。
2.关于气体的内能,下列说法正确的是(　D　)
A.质量和温度都相同的气体,内能一定相同
B.气体温度不变,整体运动速度越大,其内能越大
C.气体被压缩时,内能一定改变
D.一定量的某种理想气体的内能只与温度有关
解析:由于非理想气体分子间作用力不可忽略,则气体的内能还取决于分子数目,质量相同的气体,分子数可能不相同,则内能也可能不同,A错误;气体的内能与宏观机械运动无关,B错误;由热力学第一定律可知,气体被压缩时,若同时向外散热,则内能可能不变,C错误;对于理想气体,其内能只取决于分子平均动能的变化,而温度是分子平均动能的标志,D正确。
3.“天宫课堂”的教师们曾经做过两个有趣实验:一个是微重力环境下液桥演示实验,在两个固体表面之间可形成大尺寸液桥,如图甲所示;另一个是微重力环境下液体显著的“毛细现象”演示,把三根粗细不同的塑料管,同时放入装满水的培养皿,水在管内不断上升,直到管顶,如图乙所示。下列说法正确的是(　A　)
A.液体表面张力使得液桥表面形状得以维持,而不会“垮塌”
B.分子势能Ep和分子间距离r的关系图像如图丙所示,能总体上反映水表面层中水分子势能Ep的是图中“A”位置
C.农民使用“松土保墒”进行耕作,通过松土形成了土壤毛细管,使得土壤下面的水分更容易被输送到地表
D.航天员在太空微重力环境中会因为无法吸墨、运墨而写不成毛笔字
解析:液体表面张力使得液桥表面形状得以维持,而不会“垮塌”,故A正确;分子势能Ep和分子间距离r的关系图像如题图丙所示,水表面层中水分子间距离大于内部水分子间的距离r0,能总体上反映水表面层中水分子势能Ep的是题图丙中“C”位置,故B错误;农民使用“松土保墒”进行耕作,通过松土阻断了土壤毛细管,使得土壤下面的水分不容易被输送到地表,故C错误;毛笔书写过程中,在毛细现象作用下,墨汁与可以被浸润的毛笔材料发生相互作用力的平衡,于是墨汁便被吸入毛笔材料中,并牢牢“困”在毛笔内部,而当毛笔尖与纸张接触时,留在毛笔表面的墨汁,同样在毛细作用下,被吸附到纸上,其过程根本不需要重力作用,故D错误。
4.碲 Te为斜方晶系银白色结晶,可由半衰期为 13 h 的放射性元素 I衰变而成,其衰变方程为 Te+X,这一衰变过程可用于检测人体甲状腺对碘的吸收。下列说法正确的是(　D　)
A.衰变产物中的X为质子
B.衰变产物中的X为中子
C.温度升高,放射性元素 I的半衰期会小于13 h
D.10 g I经过26 h后会剩下2.5 g未发生衰变
解析:衰变方程遵循质量数守恒、电荷数守恒,碘的质量数与碲的质量数相同,所以X的质量数为零,碲的核电荷数为52,碘的核电荷数为53,所以X的核电荷数为1,所以X为正电子,A、B错误;半衰期与原子核的结构有关,升高温度无法改变原子核的半衰期,故C错误;每经过一个半衰期将有半数原子核发生衰变,26 h为放射性元素I的半衰期的2倍,所以10 g I经过26 h后会剩下2.5 g未发生衰变,D正确。
5.某智能手环发射出的绿光在真空中的波长为λ,绿光在真空中的光速为c,普朗克常量为h,ν、E、p分别表示绿光光子的频率、能量和动量。则下列选项正确的是(　C　)
A.ν= B.E=
C.E= D.p=
解析:根据公式E=hν,c=λν,λ=,所以ν=,E=,p=,故选C。
6.某污染物含有多种放射性物质,主要的有三种:碘131、铯134和137,它们的半衰期分别为8天、2年和30年,其中铯137的衰变方程为 CsBa+X。下列说法正确的是(　B　)
A.X是电子,铯137每发生一次衰变,核外电子便少一个
B.从长时间来看,碘131的放射性危害小于铯137的放射性危害
C.要使铯137衰变能够顺利进行,放射性物质的体积必须要超过其临界体积
D.钡137的比结合能小于铯137的比结合能
解析:根据核反应质量数和电荷数守恒,铯137的衰变方程为CsBae,可知X是电子,铯137每发生一次衰变,原子核内的一个中子会转变成一个质子,同时释放出一个电子,故A错误;从长时间来看,碘131的放射性危害小于铯137的放射性危害,因为半衰期更短,故B正确;衰变是原子核自发地放射出某种射线,从而转变成另外一种核素的过程,故C错误;钡137更稳定,钡137的比结合能大于铯137的比结合能,故D错误。
7.如图,a、b、c为一定质量的气体在p-t图像中的三个状态,其中体积最小的是(　A　)
A.a状态
B.b状态
C.c状态
D.无法确定
解析:等容变化过程中,压强与热力学温度成正比,在 p-t图像中,等容线的反向延长线都过(-273,0)坐标,过a、b、c三点作出等容线如图所示,根据理想气体状态方程=C,解得=,由此可知体积越小,斜率越大,而由题图可知a状态的斜率最大,故a状态的体积最小,
故选A。
8.原子比结合能曲线如图所示,根据该曲线,下列说法正确的是(　B　)
A.4He比结合能大于 2H,所以 4He可以裂变成 2H而放出核能
B.质子、中子不存在比结合能
C.4He比 16O更稳定
D.4He平均核子质量大于 2H
解析:4He比结合能大于 2H,所以 2H可以聚变成 4He释放能量,A错误;质子、中子只有一个核子,不存在结合能和比结合能,B正确;4He比 16O的比结合能更小,更不稳定,C错误;
4He比结合能大于 2H,所以平均核子质量小于 2H,D错误。
9.某天早上温度为10 ℃,中午刚启动汽车时看到后轮压强由2.7 bar变成了2.8 bar
(1 bar=100 kPa),该过程认为轮胎内的体积不变,轮胎内部气体可看成理想气体,热力学温度T=t+273 K。下列说法错误的是(　D　)
A.中午温度约为20 ℃
B.轮胎内部气体分子的平均动能增加
C.气体分子撞击轮胎内壁的平均作用力增加
D.轮胎内部气体吸收热量,对外做功,内能不变
解析:T1=283 K,轮胎内的体积不变,根据查理定律有=,解得T2≈293 K=20 ℃,温度增加,则轮胎内部气体分子的平均动能增加,故A、B不符合题意;轮胎内的体积不变,压强增大,则气体分子撞击轮胎内壁的平均作用力增加,故C不符合题意;轮胎内部气体温度增大,内能增大,气体对外界做功为0,吸收热量,故D符合题意。
10.钛金属因其优异的性能,在许多领域都有应用。现已知钛金属的逸出功W0=6.6 eV,氢原子的能级图如图所示,普朗克常量h=6.6×10-34 J·s。若用大量的处于n=4能级的氢原子跃迁发出的光分别照射钛金属,则下列说法正确的是(　D　)
A.氢原子跃迁过程最多能产生3种不同频率的光
B.能够使钛金属发生光电效应的光有2种
C.从能级n=4跃迁至基态发出的光,其光子动量最小
D.用这些光照射钛金属发生光电效应时,光电子的最大初动能的最小值为3.6 eV
解析:大量的处于n=4能级的氢原子能发出=6种不同频率的光,A错误;根据氢原子能级图可知,在这些光中只有2→1,3→1,4→1对应的光子的能量大于钛金属的逸出功,所以能使钛金属发生光电效应的光有3种,B错误;从能级n=4跃迁至基态发出的光频率最高,则波长最短,由p=可知其动量最大,C错误;能使钛金属发生光电效应的三种光中,2→1对应的光子的能量最小,对应光子的最大初动能也最小,光子的能量E=E2-E1=10.2 eV,根据光电效应方程可得Ek=E-W0=3.6 eV,D正确。
11.若烤箱中气密性良好,烤箱内的气体可视为理想气体。烤箱内初始气体压强为 p0=1.0×105 Pa,温度为 T0=300 K。现通电加热使气体温度升高到 540 K,此过程中气体吸收的热量为 9 300 J,烤箱内气体的体积不变。下列说法正确的是(　A　)
A.此过程中烤箱内气体的内能的增加量为 9 300 J
B.烤箱内温度升高后,所有气体分子的速率均变大
C.烤箱中气体在温度升高后的压强为p=×104 Pa
D.温度升高的过程中,气体压强增大,气体对外做功
解析:根据热力学第一定律ΔU=Q+W,由于气体的体积不变,所以W=0,则有ΔU=Q=9 300 J,故A正确,D错误;烤箱内温度升高后,气体分子的平均速率均变大,但不是所有气体分子速率都变大,故B错误;根据查理定律,可得=,解得p=1.8×105 Pa,故C错误。
12.在研究光电效应规律的实验中,用三束光分别照射同一光电管得到三条光电流和电压的关系图像,如图所示,则下列说法正确的是(　A　)
A.光电子的最大初动能Ek甲=Ek丙B.光电子的最大初动能Ek甲=Ek丙>Ek乙
C.三种光的频率关系是ν甲>ν乙>ν丙
D.三种光的频率关系是ν甲=ν丙>ν乙
解析:光电效应中,光电子的最大初动能Ek=eUc,由题图可知,甲、丙对应的遏止电压相等且小于乙光对应的遏止电压,则有Ek甲=Ek丙13.如图甲所示,一高度为H的汽缸直立在水平地面上,汽缸壁和活塞都是绝热的,活塞的横截面积为S,在缸的正中间和缸口处有固定卡环,活塞可以在两个卡环之间无摩擦运动。活塞下方封闭有一定质量的理想气体,已知理想气体的内能U与温度T的关系为U=αT,α为正的常量,重力加速度为g。开始时封闭气体的温度为T0,压强等于外界大气压强p0,现通过电热丝缓慢加热,封闭气体先后经历了如图乙所示的三个状态变化过程,则(　C　)
A.活塞的质量为
B.从b→c过程,气体对外做功p0SH
C.从a→d全过程,气体的内能增加3αT0
D.从a→d全过程,气体吸收的热量小于其内能的增量
气体在等压膨胀过程中受力平衡,有1.5p0S=p0S+Mg,解得M=,故A错误;p-T图像斜率不变时体积不变,只有在b→c过程中气体对外做功,W=1.5 p0S·=p0SH,故B错误;在a→d全过程中,由理想气体状态方程,有=,由题目条件可知气体内能的变化量ΔU=α(Td-T0)=3αT0,故C正确;从a→d全过程,气体对外做功,根据热力学第一定律可知,气体吸收的热量大于其内能的增量,故D错误。
二、多项选择题(本题共2小题,每小题4分,共8分。在每小题给出的四个选项中,有多项符合题目要求。全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)
14.下列说法正确的是(　BD　)
A.随着温度的升高,黑体辐射强度的极大值向频率较低的方向移动
B.光电效应实验中,阴极K接负极,阳极A接正极,阴极K与阳极A之间电压增大时,电流表的示数有可能增大
C.α粒子散射实验中,α粒子与金原子中的电子碰撞可能会发生大角度偏转
D.大量氢原子处于n=4的激发态,跃迁过程中可能释放出6种频率的光子,其中从n=4能级跃迁到n=3能级辐射的光子波长最大
解析:随着温度的升高,黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,由公式ν=知,黑体辐射强度的极大值向频率较高的方向移动,故A错误;光电效应实验中正向电压增大,电流表的示数有可能增大,故B正确;α粒子散射实验中,α粒子与金原子中的原子核碰撞可能会发生大角度偏转,故C错误;大量氢原子处于n=4的激发态,跃迁过程中可能释放出光子的频率数=6,其中从n=4能级跃迁到n=3能级辐射的光子能量最小,由ε=hν,λ=知,从n=4能级跃迁到n=3能级辐射的光子波长最大,故D正确。
15.一定质量的理想气体,按图示方向经历了ABCDA的循环,其pV图像如图所示。下列说法正确的是(　BC　)
A.状态B时气体分子的平均动能比状态A时气体分子的平均动能小
B.由B到C的过程中,气体将放出热量
C.由C到D的过程中,气体的内能减小
D.由D到A的过程中,气体对外做功
解析:由题图可知pBVB>pAVA,由理想气体状态方程=C可知TB>TA,温度是分子平均动能的标志,温度越高分子平均动能越大,因此状态B时气体分子的平均动能比状态A时气体分子的平均动能大,故A错误;由题图可知,由B到C过程气体体积V不变而压强p减小,由理想气体状态方程可知,气体温度T降低,该过程气体内能减小,ΔU<0,气体体积不变,外界对气体不做功,W=0,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,Q=ΔU-W=ΔU<0,即气体将放出热量,故B正确;由题图可知,由C到D的过程中,pV减小,由理想气体状态方程可知,气体温度T降低,气体的内能减小,故C正确;由题图可知,由D到A的过程中,气体体积V不变,气体对外界不做功,故D错误。
三、非选择题(本题共6小题,共53分)
16.(6分)某同学在利用油膜法估测油酸分子的大小时,油酸酒精溶液的浓度为每1 000 mL溶液中有纯油酸1 mL,用量筒和注射器测得60滴这样的溶液为1 mL,用注射器把一滴该溶液滴入表面撒有爽身粉的浅盘里,待油膜形状稳定后,把玻璃板盖在浅盘上并描画出油膜的轮廓,如图所示。图中正方形小方格的边长为2 cm。(结果均保留2位有效数字)
(1)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是　　　　　　mL。
(2)根据上述数据及图中的面积,估测出油酸分子的直径是　　　　　　m。
(3)关于本实验下列说法正确的是　　　　。(多选)
A.选用油酸酒精溶液而不是纯油酸,目的是让油酸尽可能散开,形成单分子油膜
B.若油酸没有充分散开,油酸分子直径的计算结果将偏小
C.计算油膜面积时舍去了所有不足一格的方格,油酸分子直径的计算结果将偏大
D.在向量筒中滴入1 mL油酸酒精溶液时,滴数少记了几滴,油酸分子直径的计算结果将
偏小
解析:(1)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积V=× mL≈1.7×10-5 mL。
(2)由于每格边长为2 cm,则每一格就是4 cm2,估算油膜面积以超过半格为一格计算,小于半格就舍去的原则,估算出一共有60格,则油酸薄膜面积为S=60×4 cm2=2.4×10-2 m2,由于油酸分子是单分子紧密排列的,因此分子直径为d== m≈7.1×10-10 m。
(3)计算时利用的是纯油酸的体积,酒精的作用是更易于油酸平铺成单层薄膜,自身溶于水或挥发掉,使测量结果更精确,所以选用油酸酒精溶液而不是纯油酸,目的是让油酸尽可能散开,形成单分子油膜,故A正确;计算油酸分子直径的公式是 d=,V是纯油酸的体积,S是油膜的面积,若油膜没有充分散开,则测量的面积S偏小,导致计算结果偏大,故B错误;计算油膜面积时舍去了所有不足一格的方格,S将偏小,故得到的分子直径将偏大,选项C正确;向量筒中滴入1 mL油酸酒精溶液时,滴数少记了几滴,求出的纯油酸体积偏大,则油酸分子直径的计算结果将偏大,选项D错误。
答案:(1)1.7×10-5　(2)7.1×10-10　(3)AC
17.(8分)(1)某同学在做“气体的压强与体积的关系”实验中,测得的实验数据在计算机屏幕上的显示如表所示,仔细观察“p·V”一栏中的数值,发现越来越小,造成这一现象的可能原因是 　　　　　　　　。
序号 V/mL p/(105 Pa) p·V/ (105 Pa·mL)
1 20.0 1.001 0 20.020
2 18.0 1.095 2 19.714
3 16.0 1.231 3 19.701
4 14.0 1.403 0 19.642
5 12.0 1.635 1 19.621
(2)在不同温度环境下,另一名同学重复了上述实验,实验操作和数据处理均正确,环境温度分别为T1、T2,且T1>T2。在如图所示的四幅图中,可能正确反映相关物理量之间关系的是　　　　。(多选)
　　　　　
A B
　　　　　
C D
(3)为能更准确地测出气体的压强,该同学用软管连通注射器和压强传感器。用(1)中方法作出的图线如图所示,该图线不过原点,为减小这一实验误差,请给出你的改进方法
　 。
解析:(1)根据理想气体的状态方程=C,可知p·V的降低可能是气体发生了泄漏造成的。
(2)由于实验操作和数据处理均正确,同体积情况下,温度高对应压强大,则pV乘积较大的是对应的T1图线,故A错误,B正确;因为相同体积下,即相同分子数密度情况下,温度越高,气体压强越大,则斜率越大的对应的温度越高,故C正确,D错误。
(3)软管内有一部分气体,容易造成误差,选择容积较大的注射器会使软管内气体产生的影响减小,从而减小误差。
答案:(1)气体发生了泄漏　(2)BC　
(3)选用容积较大的注射器
18.(8分)遇到突发洪水时,可以借助塑料盆进行自救,简化模型如下,塑料盆近似看成底面积为S的圆柱形容器,把塑料盆口向下竖直轻放在静止水面上,用力竖直向下缓慢压盆底,当压力为F时恰好使盆底与液面相平,忽略塑料盆的厚度及盆所受的重力,已知大气压强为p0,重力加速度为g,水的密度为ρ,求:
(1)此时盆内空气的压强p。
(2)此时塑料盆口的深度d。
解析:(1)以塑料盆为研究对象,根据平衡条件可得F+p0S=pS,
解得p=p0+。
(2)当塑料盆轻放在静止水面上时,盆内封闭气体的压强、体积分别为p1=p0,V1=Sd,
当盆底与水平面相平时,设进入盆内水的液面距盆底h,盆内压强、体积分别为p2=p,V2=Sh,
而根据等压面法可知p2=p0+ρgh,
根据题意p1V1=p2V2,
联立以上各式可得d=(1+)·。
答案:(1)p0+　(2)(1+)·
19.(10分)已知两个氘核聚变生成一个氦3和一个中子的核反应方程是HHHen,已知氘核质量为2.013 6 u,中子质量为 He核的质量为3.015 0 u。质量亏损为1 u时,释放的能量为 931.5 MeV。除了计算质量亏损外He的质量可以认为是中子的 3倍。(计算结果单位为MeV)
(1)求2个氘核发生聚变释放的能量。
(2)若两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成He并放出一个中子,释放的核能也全部转化为 He核与中子的动能。已经测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV,求反应前每个氘核的动能。
解析:(1)2个氘核发生聚变释放的能量
ΔE=Δmc2=(2×2.013 6 u-1.008 7 u-3.015 0 u)×931.5 MeV/u≈3.26 MeV。
(2)设中子和 He核的质量分别为m1、m2,速度分别为v1、v2。反应前每个氘核的动能是E0。核反应过程系统动量守恒,以中子的速度方向为正方向,
由动量守恒定律得m1v1-m2v2=0,其中m2=3m1,
由能量守恒定律得2E0+ΔE=Ek1+Ek2,
Ek1=m1=3.12 MeV,
Ek2=m2,
解得E0=0.45 MeV。
答案:(1)3.26 MeV　(2)0.45 MeV
20.(9分)使用火罐时,先加热罐中气体,然后迅速按到皮肤上,自然降温后火罐内部气压低于外部大气压,使火罐紧紧吸附在皮肤上。抽气拔罐是先把罐体按在皮肤上,再通过抽气降低罐内气体压强。某次使用火罐时,罐内气体初始压强与外部大气压相同,温度为450 K,最终降到300 K,因皮肤凸起,内部气体体积变为罐容积的。若换用抽气拔罐,抽气后罐内剩余气体体积变为抽气拔罐容积的,罐内气压与火罐降温后的内部气压相同。罐内气体均可视为理想气体,忽略抽气过程中气体温度的变化。求应抽出气体的质量与抽气前罐内气体质量的比值。
解析:设火罐内气体初始状态参量分别为p1、T1、V1,温度降低后状态参量分别为p2、T2、V2,罐的容积为V0,由题意知p1=p0,T1=450 K,V1=V0,T2=300 K,V2=,
由理想气体状态方程得=,
代入数据得p2=0.7p0,
对于抽气拔罐,设初态气体状态参量分别为p3、V3,末态气体状态参量分别为p4、V4,罐的容积为V0′,由题意知
p3=p0,V3=V0′,p4=p2,
由玻意耳定律得p0V0′=p2V4,
联立解得V4=V0′,
设抽出的气体的体积为ΔV,由题意知ΔV=V4-V0′,
故应抽出气体的质量与抽气前罐内气体质量的比值为=,
联立解得=。
答案:
21.(12分)电子和光一样具有波动性和粒子性,它表现出波动的性质时,就像X射线穿过晶体时会产生衍射一样,这一类物质粒子的波叫物质波。质量为m的电子以速度v运动时,这种物质波的波长可表示为λ=。电子质量m=9.1×10-31 kg,电子电荷量e=1.6×10-19C,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s。
(1)计算具有100 eV动能的电子的动量p和物质波波长λ。
(2)若一个静止的电子经2 500 V电压加速,求能量和这个电子动能相同的光子波长,以及该光子的波长与这个电子的物质波波长之比。
解析:(1)由公式Ek=得,电子的动量
p=
= kg·m/s
≈5.4×10-24 kg·m/s,
电子对应物质波波长
λ== m≈1.2×10-10 m。
(2)静止的电子经2 500 V电压加速获得的能量
Ek′=2 500 eV=2 500×1.6×10-19 J=4.0×10-16 J,
由=Ek′得光子波长
λ= m≈5.0×10-10 m。
电子动量
p′=mv′=
= kg·m/s
≈2.7×10-23 kg·m/s。
电子波长 λ′=≈2.5×10-11 m,
则=20。
答案:(1)5.4×10-24 kg·m/s　1.2×10-10m (2)5.0×10-10 m　206　“基本”粒子的分类
素养测练
考点一　新粒子的发现及分类
1.(多选)关于粒子,下列说法正确的是(　BC　)
A.质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B.质子、中子本身也是复合粒子,它们具有复杂的结构
C.质子是带电的强子
D.光子是希格斯玻色子
解析:质子和中子是由不同的夸克组成的,它们不是最基本的粒子,它们具有复杂的结构,故A错误,B正确;不同的夸克组成的强子,有的带电,有的不带电,质子是带正电的强子,故C正确;光子是规范玻色子,故D错误。
2.“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量,但电荷的符号相反,则反氢原子是(　B　)
A.由1个带正电荷的质子和1个带负荷的电子构成
B.由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成
C.由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成
D.由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成
解析:反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成。故选B。
3.(多选)K-介子衰变方程为K-π-+π0,其中K-介子和π-介子是带负电的基元电荷,π0介子不带电。如图所示,一个K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中,其轨迹为圆弧(图中虚线),π-介子和π0介子运动轨迹可能是图中的(　AB　)
解析:根据动量守恒定律可以判断反应后π-介子可能与K-介子的运动方向相同,也可能相反,结合左手定则和带电粒子在磁场中的运动知识可知,选项A、B正确。
4.(多选)下列说法正确的是(　ABD　)
A.质量相同而电荷等值、电性相反的粒子是反粒子
B.光子传递电磁相互作用,属于规范玻色子
C.轻子是质量很轻的粒子
D.强子是参与强相互作用的粒子
解析:反粒子与其对应的粒子具有相同的质量和电荷量,但它们电性相反,故A正确;光子传递电磁相互作用,属于规范玻色子,故B正确;轻子是不参与强相互作用的粒子,强子是参与强相互作用的粒子,故C错误,D正确。
5.下列说法正确的是(　A　)
A.许多粒子都有自己的反粒子,反粒子与其对应的粒子带等量异种电荷
B.规范玻色子是几种基本粒子中最后一个被发现的
C.希格斯玻色子是传递各种相互作用的粒子
D.光子属于轻子
解析:许多粒子都有自己的反粒子,反粒子与其对应的粒子带等量异种电荷,A正确;规范玻色子是传递各种相互作用的粒子,如光子传递电磁相互作用,希格斯玻色子是希格斯场的量子激发,是几种基本粒子中最后一个被发现的,光子不属于轻子,B、C、D错误。
考点二　夸克模型
6.关于粒子,下列说法正确的是(　D　)
A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子
B.强子都是带电粒子
C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单元
解析:由于中子、质子是由不同的夸克组成的,它们不再是“基本”粒子,夸克模型是探究强子结构的理论,不同夸克构成强子,有的强子带电,有的不带电,不同夸克带电不同,可能为+e或-e,说明电子电荷不再是电荷的最小单位,选项D正确,A、B、C错误。
7.(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是(　ABC　)
A.强子是由更基本的夸克组成的
B.夸克的电荷量分别为元电荷的+或-
C.每种夸克都有对应的反夸克
D.夸克能以自由的状态单个出现
解析:强子是由更基本的夸克组成的,A正确;夸克的电荷量分别为元电荷的+或-,B正确;每种夸克都有对应的反夸克,C正确;夸克不能以自由的状态单个出现,D错误。(共21张PPT)
6　“基本”粒子的分类
[课标引领]
学习目标要求 核心素养和关键能力
1.了解构成物质的“基本”粒子。 2.了解近代发现的粒子。 3.知道粒子的分类。 4.了解夸克模型的内容。 1.核心素养
了解构成物质的“基本”粒子及近代新发现的粒子,知道粒子的分类,了解夸克模型的内容。了解人类探究宇宙奥秘的过程和方法。
2.关键能力
通过对夸克模型的认识了解,能对已有观点提出疑问,可以从不同角度思考物理问题。
预学智测
·
科学思维
「知识梳理」
知识点一　新粒子的发现
1.“基本粒子”不“基本”
(1)以前人们普遍认为 、电子、 和中子是“基本粒子”。
(2)随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上
组成的,并发现 等本身也有复杂结构。
2.某些粒子,它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子
,而电荷等其他性质 ,这些粒子叫作反粒子。
光子
质子
“基本粒子”
质子、中子
相同
相反
知识点二　粒子的分类
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相互作用 质子、中子、介子、超子 强子有内部结构,由“夸克”构成
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 现代实验还没有发现其内部结构
规范玻 色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子 光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
希格斯 玻色子 — 目前最后一个被发现 是希格斯场的量子激发
1.思考判断
(1)科学研究表明,质子、中子等本身也具有复杂结构。(　 　)
(2)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。(　 　)
(3)按照夸克模型,电子所带电荷不再是电荷量的最小单元。(　 　)
(4)反粒子与粒子有相同的电荷量,但电性相反。(　 　)
(5)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍。(　 　)
(6)目前发现的轻子有8种。(　 　)
√
「科学思维」
×
√
√
×
×
2.现已发现的粒子达400多种。它们大体可被分为(　 　)
A.光子、夸克、强子、质子
B.夸克、轻子、强子、电子
C.规范玻色子、希格斯玻色子、轻子、强子
D.质子、中子、电子、光子
C
解析:按照粒子与各种相互作用的关系,大体可以把粒子分为四大类,即强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子,选项C正确,A、B、D错误。
探究重点
·
深化学习
要点一　新粒子的发现及分类
[例1] 关于“基本”粒子,以下说法正确的是(　 　)
A.最早发现的轻子是电子,最早发现的强子是中子
B.质子、中子、介子和超子都属于强子
C.现代实验发现强子、轻子都有内部结构
D.τ子质量比核子质量大,τ子不属于轻子
B
解析:最早发现的强子是质子,最早发现的轻子是电子,A错误;强子有内部结构,由夸克组成,现代实验还没有发现轻子的内部结构,C错误;质子、中子、介子、超子都属于强子,τ子质量比核子质量大,但仍属于轻子,B正确,D错误。
[针对训练1] (多选)关于人们发现的新粒子,下列说法正确的是(　 　)
A.许多粒子都有自己的反粒子
B.把粒子分为强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子,根据是粒子与各种相互作用的关系
C.质子属于强子
D.光子属于轻子
ABC
解析:根据粒子的分类、粒子与反粒子的描述知A、B、C正确;光子属于规范玻色子,D错误。
要点二　粒子的分类及夸克模型
1.粒子与反粒子
随着科学技术的发展,人们发现了更多的粒子,一方面“基本粒子”不“基本”,另一方面发现了反粒子。
2.夸克模型
(1)夸克的种类:上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。
(3)意义:电子电荷不再是电荷的最小单位,即存在分数电荷。
特别提醒:按照粒子具有对称性,有一个粒子,必存在一个反粒子,所以每种夸克都有对应的反夸克。
AD
质子和中子的组成
(1)质子带一个元电荷e的电荷量,两个u夸克和一个d夸克可以组成一个
质子。
(2)中子不带电,一个u夸克和两个d夸克可以组成一个中子。
名师点拨
[针对训练2] (多选)1964年,理论物理学家提出夸克模型,指出重子(强子的一类)是由3个夸克组成的亚原子粒子,现代物理学认为,夸克共分6种3类:上夸克、下夸克;粲夸克、奇异夸克;顶夸克、底夸克(如表格所示)。质子由两个上夸克加一个下夸克组成,则中子的构成是两个下夸克加一个上夸克,因此人类目前所接触的物质都是由第一类夸克组成的。美国费米实验室在粒子对撞实验中发现一种新型粒子(欧米伽b重子)是由2个奇异夸克和1个底夸克组成的,这是物理学界首次发现由后两类夸克混合组成的重子。(1 G=109)
根据以上信息可以判定(　 　)
A.欧米伽b重子带的电荷量为-e
B.欧米伽b重子的质量是质子质量的250倍
C.欧米伽b重子的质量是中子质量的250倍
D.由质能方程E=mc2得知1 GeV/c2≈1.78×10-27 kg
ACD
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